기호설명

1. 연구배경 및 목적

건조기 작동 중 드럼 내부에서는 공기로부터 빨래로의 열전달과 빨래로부터 공기로의 물질전달이 동시에 발생하며, 이러한 열 및 물질전달 현상에 의해 빨래 내 수분 함유율이 감소함으로써 빨래의 건조가 이루어진다. 열 및 물질전달 현상은 공기의 유량의 지배적인 영향을 받기 때문에 공기 유량은 건조 시간과 적산전력으로 대표되는 건조기의 성능에 큰 영향을 미치는 설계 변수이다.

이러한 건조기 드럼 내 공기 유량은 빨래 내 함유된 물의 양에 따라 상이하다. 수분 함유율이 증가함에 따라 빨래가 수축하는 효과에 의해 빨래의 겉보기 부피가 감소하게 되며, 또한 실제 건조기 작동 환경과 같이 드럼이 일정한 속도로 회전하고 있는 상황에서는 수분 함유율이 감소할수록 드럼 내 빨래 배열의 불확실성이 증가한다. 이는 수분 함유율에 따라 드럼 내 공기의 유동 저항이 상이하기 때문에 공기 유량이 수분 함유율의 영향을 받음을 의미한다. 이전 연구^(1-6)에서는 건조기 성능 개선을 목적으로 드럼 내부 열 및 물질전달 현상에 의해 빨래가 건조되는 과정에 대한 다양한 해석 모형을 제안한 바 있다. 그러나 앞서 언급한 대부분의 연구^(1-6)에서는 건조기 작동 중 공기의 유량이 일정하다고 가정하였다.

본 연구에서는 다양한 드럼의 사이즈 및 송풍기 Fan 회전수에 대하여 빨래 무게 및 수분 함유율에 따른 건조기 드럼 내부 유량을 측정하고자 한다. 이를 통해 빨래 무게 및 수분 함유율에 따라 공기 유량이 어떻게 변화하는지, 또한 수분 함유율에 따른 유량의 변화 경향은 빨래 무게, 송풍기 Fan 회전수에 따라 어떠한 차이를 보이는지 실험적으로 확인하고자 한다. 최종적으로 실험 결과를 바탕으로 수분 함유율에 따른 드럼 내 공기의 유량 변화를 예측하는 무차원 유량 상관식을 제시하고자 한다.

2. 유량 측정 실험

본 연구에서는 삼성전자의 9 kg 및 16 kg 용량의 가정용 히트펌프 의류 건조기를 대상으로 실험을 진행하였으며, 빨래로는 가정용 건조기 성능 측정에 관한 IEC 규정(IEC 61121)⁽⁷⁾에 부합하는 건조포를 사용하였다. 또한 드럼 내 공기 유량 측정에 KS 규격(KS B 6311)⁽⁸⁾을 참고하여 설계 제작된 풍동 장치를 이용하였다. Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같이 실제 건조기는 내부 공기가 드럼과 히트펌프 사이클을 순환하는 폐쇄 시스템을 이루고 있으나, 유량 측정을 위해 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이 외부의 공기가 드럼으로 유입되며 드럼에서 나온 공기가 외부로 배출되도록 건조기 내부 유로를 변경하였다. 드럼 내부 유동을 발생시키기 위해 실험 장치의 공기 토출부에 송풍기(이노텍 TBT-302)를 설치하였으며, 송풍기 토출부와 풍동장치를 연결하여 드럼을 통과하는 공기의 유량을 측정하였다.

건조기 드럼 내 유량은 건조기 용량(=드럼의 사이즈), 빨래 무게, Fan 회전수, 빨래 내 수분 함유율의 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 유량에 영향을 미치는 4가지 인자와 더불어 건조기 성능 측정 규정⁽⁷⁾에 명시된 빨래 내 수분 함유율 및 빨래 무게 조건과 실제 건조기의 유량 범위를 고려하여 Table 1과 같이 실험 조건을 선정하였다. 16 kg 용량의 건조기를 대상으로 빨래 무게($m_{c}$) 4, 8, 12, 16 kg, 송풍기 Fan 회전수($\omega_{fan}$) 1525, 2025, 2525 RPM, 수분 함유율($M_{c}$) 0, 0.2, 0.4, 0.6 조건에 대하여 실험을 진행하였다. 또한 드럼 용량이 상이한 경우 수분 함유율에 따른 유량의 변화가 16 kg 용량의 건조기에 대한 실험 결과와 어떠한 차이를 보이는지 확인하고자, 9 kg 용량의 건조기를 대상으로 빨래 무게 5 kg, 송풍기 Fan 회전수 705, 952, 1210 RPM, 수분

Fig. 1 Air path inside dryer & Schematic diagram of experimental apparatus

함유율 0, 0.2, 0.4, 0.6 조건에 대하여 실험을 진행하였다. 실험 방법은 다음과 같다. 실험 준비 과정에서 세탁기의 행굼 및 탈수 기능을 이용하여 빨래 무게의 0, 20, 40, 60%에 해당하는 수분이 빨래 내에 고르게 함유되도록 하였다. 실험 시작 시 드럼 내에 수분을 함유한 빨래를 넣은 후 송풍기를 작동시켜 유동을 발생시켰으며, 송풍기와 연결된 풍동장치를 이용하여 약 10분간 드럼을 통과하는 공기의 유량을 측정하였다. 이때, 송풍기에 인버터를 설치하여 유량 측정 중 송풍기 Fan 회전수를 일정하게 제어하였다. 또한 실험은 실제 건조기 작동 상황과 동일하게 드럼이 일정한 속도로 회전하는 상태에서 진행하였다.

3. 유량 측정 결과

Fig. 2에 빨래 무게 8 kg, 송풍기 Fan 회전수 2025 RPM, 수분 함유율 0 조건에 대한 총 3회의 시간에 따른 유량 측정 결과를 나타내었다. 유량 측정 시, 드럼의 회전으로 인해 드럼 내부 빨래의 배열이 임의적으로 변화하게 되며 또한 빨래가 Fig. 3에 나타낸 드럼 내 공기 토출부를 막는 현상이 간헐적으로 발생하게 된다. 이는 드럼 내 공기의 유동 저항이 임의적으로 변화함을 의미한다. Fig. 2를 보면 앞서 설명한 유동 저항의 임의적 변화로 인한 시간에 따른 유량 측정 결과의 Fluctuation을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 시간에 따른 측정 결과의 평균값을 해당 조건의 유량 측정 결과로 하였으며, 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 각 조건의 실험을 3회 반복하였다.

3.1 수분 함유율 및 빨래 무게에 따른 유량

Fig. 4 및 Fig. 5에 각각 수분 함유율 및 빨래 무게에 따른 유량의 변화를 나타내었다. 각 실험 조건에 대한 유량 값은 유량 측정 결과(시간 평균값)의 평균을 취한 값이며, Error Bar는 평균의 표준편차로서 유량 측정 결과의 재현성을 나타낸다.

Fig. 2 Air flow rate with respect to time

Fig. 3 Air discharge of drum (capacity 16 kg)

Fig. 4(a)~Fig. 4(c)에 나타낸 16 kg 용량의 건조기에 대한 Fan 회전수 별 수분 함유율에 따른 유량 측정 결과를 살펴보면 빨래 내 수분 함유율이 감소할수록 유량이 감소하는 경향을 보였다. 앞서 언급한 바와 같이 수분 함유율이 감소함에 따라 빨래의 겉보기 부피가 증가하고(빨래가 부푸는 현상), 드럼이 회전하는 상황에서 수분 함유율이 작을수록 드럼 내 빨래 배열의 불확실성이 증가하게 된다. 해당 효과들은 공기의 유동 저항을 증가시키는 원인으로 작용하기 때문에 빨래 내 수분 함유율이 감소할수록 유량이 감소한 것이라 사료된다. 이러한 수분 함유율 감소에 따른 유량 감소 현상은 Fig. 4(d)에 나타낸 9 kg 용량의 건조기에 대한 실험 결과에서도 동일하게 나타났다. 그러나 Fig. 4(b)의 빨래 무게 16 kg 조건의 실험 결과는 전체적인 경향에서 벗어나는 데이터(수분 함유율 0.4에서의 측정 결과)가 보이며 또한 다른 실험 결과에 비하여 Error Bar가 크게(재현성이 낮으며) 나타났다. 이는 Fig. 3에서 확인할 수 있듯이 드럼 내 공기 토출부가 매우 협소하며, 빨래 무게가 건조기 용량에 가까워질수록 빨래가 드럼 내부를 가득 채우게 됨으로써 빨래가 드럼의 공기 토출부를 막을 확률이 증가하기 때문이라 사료된다.

Fig. 5에 나타낸 빨래 무게에 따른 유량 측정 결과를 살펴보면 모든 Fan 회전수의 측정 결과에서 빨래 무게가 증가함에 따라 유량이 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 빨래 무게의 증가로 인해 유동 저항이 상승했기 때문이라 사료된다. 그러나 빨래가 완전히 건조된 경우에 전체적인 경향에서 벗어나는 데이터(Fig. 5(b)의 빨래 무게 4 kg 측정 결과)가 보였다. 이는 빨래가 완전 건조 되었을 경우 빨래가 서로 뭉치는 현상이 감소함으로 인해 드럼 내 빨래 배열의 불확실성이 증가하기 때문이라 판단된다.

Fig. 4 Air flow rate with respect to moisture content

Fig. 5 Air flow rate with respect to clothes weight

3.2 무차원 유량($\dot V_{\max}$) 상관식

Fig. 4에 나타낸 실험 결과로부터 빨래 내에 수분이 감소함에 따라 유량이 감소함을 확인하였다. 이와 더불어 본 연구에서는 송풍기 Fan 회전수, 빨래 무게에 따라 수분 함유율 감소에 따른 유량의 감소율이 어떠한 차이를 보이는지 확인하고자 하였다. 그러나 송풍기 Fan 회전수 및 빨래 무게에 따라 유량 측정 결과의 절대값이 상이하기 때문에 유량의 감소를 직접적으로 비교하기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 빨래가 건조됨에 따른 유량의 감소율을 나타내는 무차원 유량($\dot V^{*}$)을 식⁽¹⁾과 같이 정의하였다. 식⁽¹⁾에서 $\dot V_{\max}$는 건조가 진행되기 이전(수분 함유율 0.6)의 유량을 나타내며, $\dot V$은 현재 수분 함유율에서의 유량을 나타낸다.

(1)

$\dot V^{*}=\dot V /\dot V_{\max}$

Fig. 6에 16 kg 및 9 kg 용량의 건조기에 대한 다양한 송풍기 Fan 회전수 조건에서 수분 함유율에 따른 무차원 유량을 나타내었다. Fig. 6을 통해 확인할 수 있듯이 빨래 무게와 Fan 회전수가 상이함에도 불구하고 수분 함유율에 따른 무차원 유량이 유사하게 나타났다. 이는 빨래 무게 혹은 Fan 회전수가 다름으로 인해 유량이 상이하더라도 빨래가 건조됨에 따른 유량의 감소율이 유사함을 의미한다. 또한 Fig. 6으로부터 각각의

Fig. 6 Non-dim. air flow rate with respect to moisture content & Non-dim. air flow rate correlation

건조기 용량에 대한 수분 함유율에 0.0에서 무차원 유량을 비교해보면 큰 차이를 보임을 알 수 있다(16 kg 용량 건조기 약 0.93, 9 kg 용량 건조기 약 0.80). 이는 건조기 용량에 따라 빨래가 건조됨에 따른 유량의 감소율이 상이함을 나타낸다.

최종적으로 본 연구에서는 식(2)와 같은, 9 kg 및 16 kg 용량의 건조기 드럼에 대하여 수분 함유율에 따른 유량의 변화율을 예측하는 무차원 유량 상관식을 제시하였다. 식(2)의 무차원 유량 상관식에서 $a$와 $b$는 건조기 용량에 의해 결정되는 상수이며, 16 kg 용량 건조기의 경우 $a=7.4,\: b =-1295.9$, 9 kg 용량 건조기의 경우 $a=1.7,\: b= -8.6$의 값을 가진다. 본 연구에서 제시한 상관식을 이용하여 예측한 유량은 실험 결과와 비교하여 최대 6%, 평균 4%의 오차를 나타내었다. 드럼 내 열 및 물질전달 현상에 대한 해석 시 본 연구에서 제시한 상관식을 활용하여 빨래의 건조에 따른 유량 변화를 고려함으로써 비교적 정확한 해석 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

(2)

$\dot V^{*}=\dot V /\dot V_{\max}=1-\dfrac{1-e^{a*(M_{c}-0.6)}}{b}$

4. 결 론

본 연구에서는 다양한 송풍기 Fan 회전수에 대하여 빨래 내 수분 함유율 및 빨래 무게에 따른 건조기 드럼 내부 공기 유량을 측정함으로써, 수분 함유율 및 빨래 무게에 따른 드럼 내 공기 유량의 변화 경향을 살펴보았다. 또한 무차원 유량($\dot V^{*}$)을 정의함으로써 다양한 송풍기 Fan 회전수 및 빨래 무게에 대하여 빨래가 건조됨에 따른 유량의 감소율이 어떠한 차이를 보이는지 살펴보았다. 최종적으로 수분 함유율에 따른 유량의 변화를 예측하는 무차원 유량 상관식을 제시하였다. 주요한 결과는 다음과 같다.

(1) 수분 함유율이 감소함에 따라 드럼 내 공기의 유량이 감소하는 경향을 보였다. 수분 함유율 0.0일 때 유량이 수분 함유율 0.6일 때 유량 대비, 16 kg 용량의 경우 약 7%, 9kg 용량의 경우 약 20% 작았다. 이는 수분 함유율 감소 시 빨래의 겉보기 부피 증가 및 드럼 내 빨래 배열의 불확실성 증가로 인해 공기의 유동 저항이 증가하기 때문이라 사료된다.

(2) 빨래 무게가 증가함에 따라 유동 저항이 증가하여 드럼 내 공기의 유량이 감소하는 경향을 보였다. 16 kg 용량의 건조기에 대해 빨래 무게 16 kg일 때 유량이 빨래 무게 4 kg일 때 유량 대비 약 6% 작게 나타났다.

(3) 수분 함유율에 따른 무차원 유량의 변화는 다양한 빨래 무게 및 Fan 회전수 조건에서 유사하였다. 이는 특정한 건조기 드럼에 대하여 빨래 무게 및 유량이 상이하더라도 빨래가 건조됨에 따른 유량의 감소율이 유사함을 나타낸다.

(4) 16 kg 및 9 kg 용량의 수분 함유율에 따른 무차원 유량이 상이하였다. 이는 드럼의 용량에 따라 빨래의 건조에 따른 유량 감소율이 상이함을 의미한다.

(5) 실험 결과를 바탕으로 수분 함유율에 따른 무차원 유량의 변화를 예측하는 상관식을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 상관식은 실험 결과와 비교하여 최대 6%, 평균 4%의 오차를 보였다.

드럼 내 열 및 물질전달 현상 해석 시 본 연구에서 제시한 상관식을 활용함으로써 보다 정확한 해석 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.